[go: up one dir, main page]

DE102008022571A1 - Temperature measurement on parts of a turbomachine - Google Patents

Temperature measurement on parts of a turbomachine Download PDF

Info

Publication number
DE102008022571A1
DE102008022571A1 DE102008022571A DE102008022571A DE102008022571A1 DE 102008022571 A1 DE102008022571 A1 DE 102008022571A1 DE 102008022571 A DE102008022571 A DE 102008022571A DE 102008022571 A DE102008022571 A DE 102008022571A DE 102008022571 A1 DE102008022571 A1 DE 102008022571A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
temperature
fiber
glass fiber
layer
black body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102008022571A
Other languages
German (de)
Inventor
Thomas Dr. Bosselmann
Thorsten Thiel
Michael Dr. Willsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE102008022571A priority Critical patent/DE102008022571A1/en
Priority to PCT/EP2009/055345 priority patent/WO2009135814A1/en
Publication of DE102008022571A1 publication Critical patent/DE102008022571A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0003—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the radiant heat transfer of samples, e.g. emittance meter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • F01D17/085—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure to temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0088—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry in turbines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0806—Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0818—Waveguides
    • G01J5/0821—Optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0887—Integrating cavities mimicking black bodies, wherein the heat propagation between the black body and the measuring element does not occur within a solid; Use of bodies placed inside the fluid stream for measurement of the temperature of gases; Use of the reemission from a surface, e.g. reflective surface; Emissivity enhancement by multiple reflections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/04—Casings
    • G01J5/046—Materials; Selection of thermal materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

Für die pyrometrische Temperaturmessung an einem bis zu 1500°C heißen Teil einer Gasturbine, beispielsweise deren Schaufel oder Wandung, wird vorgeschlagen, eine Glasfaser zu verwenden. Am Teil selbst wird eine Scharzkörperfläche vorgesehen. Das Ende der Glasfaser behält einen Abstand, beispielsweise 1-5 mm, von der Schwarzkörperfläche, um die thermische Degradierung der Faser zu verhindern. Die Wärmestrahlung von der Schwarzkörperfläche wird von der Glasfaser aufgefangen. Die Schwarzkörperfläche wird in ihrer Größe an das Sichtfeld der Faser angepasst. Alternativ oder zusätzlich ist eine Linse am Ende der Faser vorgesehen.For the pyrometric temperature measurement on an up to 1500 ° C hot part of a gas turbine, for example, its blade or wall, it is proposed to use a glass fiber. On the part itself, a black body surface is provided. The end of the glass fiber maintains a distance, for example 1-5 mm, from the black body surface to prevent thermal degradation of the fiber. The heat radiation from the black body surface is absorbed by the glass fiber. The blackbody area is adapted in size to the field of view of the fiber. Alternatively or additionally, a lens is provided at the end of the fiber.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Temperatur an einem Teil einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Leitschaufel oder der Brennkammerwand einer Gasturbine.The The present invention relates to a method and an arrangement for measuring the temperature of a part of a turbomachine, For example, a vane or the combustion chamber wall of a Gas turbine.

Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen, werden als Wärme-Kraft-Maschinen in der Technik eingesetzt, um eine in einem Gasstrom gespeicherte Energie in eine mechanische Energie zu überführen, insbesondere eine Drehbewegung. Um den Wirkungsgrad solcher Maschinen zu erhöhen, werden immer höhere physikalische Anforderungen an die verwendeten Materialien der Strömungsmaschine gestellt. So wird zur Erhöhung des Wirkungsgrads einer Gasturbine die Temperatur einer in die Gasturbine einströmenden Gasströmung auf mehr als 1200°C gesteigert. Um den hohen physikalischen Anforderungen, insbesondere aufgrund der Temperatur, standhalten zu können, werden die Schaufeln der Turbine mit einer Beschichtung versehen, die einer besonders hohen Beanspruchung standhält. Eine solche Beschichtung ist beispielsweise das so genannte Thermal Barrier Coating von Schaufeln einer Gasturbine, im folgenden TBC genannt, wobei ein Schaufelblatt an seiner der Gasströmung ausgesetzten Oberfläche mit einer derartigen Beschichtung versehen wird. Als Beschichtung kommt beispielsweise „Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid” in Frage. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrades ist es wünschenswert, die Temperatur der Gasströmung bis zu einem maximalen Grenzwert zu erhöhen, ohne dass das TBC beschädigt wird. Dazu bedarf es Messverfahren und Vorrichtungen zur genauen Temperaturbestimmung der Schaufeloberflächen und insbesondere der Schaufeloberflächenbeschichtungen während des Betriebes der Strömungsmaschine.Turbomachinery, such as steam or gas turbines, are called heat-power machines used in the art to store one stored in a gas stream To convert energy into a mechanical energy, in particular a rotational movement. In order to increase the efficiency of such machines, ever higher physical Requirements for the materials used in the turbomachine posed. So it's going to increase the efficiency of a gas turbine, the temperature of one in the gas turbine inflowing gas flow more than 1200 ° C increased. In order to meet the high physical requirements, in particular due to the temperature, to be able to withstand the blades the turbine provided with a coating that is a special withstand high loads. Such a coating is for example the so-called thermal Barrier coating of blades of a gas turbine, in the following TBC called an airfoil at its exposed to the gas flow surface provided with such a coating. As a coating comes, for example, "Yttrium stabilized zirconia "in Question. Due to the temperature dependence of the efficiency it is desirable the temperature of the gas flow to increase to a maximum limit without damaging the TBC. This requires measuring methods and devices for accurate temperature determination the blade surfaces and in particular the blade surface coatings during the Operation of the turbomachine.

Eine gängige Möglichkeit zur Temperaturbestimmung ist die Anbringung von Thermoelementen an die zu untersuchenden Stel len. Aufgrund der hohen Temperaturen im Gasstrom der Strömungsmaschine fallen die Thermoelemente in der Regel nach einigen Stunden Betriebszeit aus und sind in den meisten Fällen zerstört.A common possibility for temperature determination is the attachment of thermocouples the places to be examined. Due to the high temperatures in the Gas flow of the turbomachine The thermocouples usually fall after a few hours of operation off and are in most cases destroyed.

Eine Alternative zu Thermoelementen stellen optische Pyrometer dar, mit denen aus der vom zu untersuchenden heißen Objekt abgestrahlten Strahlung auf optischem Wege auf die Temperatur des Objektes schließen kann. Problematisch ist dabei, dass die TBC-Beschichtung in Gasturbinen zu einem erheblichen Teil transparent für Wärmestrahlung ist. Sie lässt daher Wärmestrahlung anderer Objekte passieren. Eine Temperaturbestimmung anhand der Wärmestrahlung aus der Richtung der TBC-Schicht wird dadurch möglicherweise stark verfälscht. Dies wird bekanntermaßen dadurch gelöst, dass zur Aufnahme der Wärmestrahlung eine Faser, beispielsweise Saphirfaser verwendet wird, deren Ende mit einer Schwarzkörperschicht versehen ist. Diese wird in Berührung mit der TBC-Schicht gebracht, wodurch die Schwarzkörperschicht weitgehend die Temperatur der TBC-Schicht annimmt. Die von der Schwarzkörperschicht erzeugte Wärmestrahlung wird von der Faser zu einem Empfänger geleitet. Problematisch sind hierbei die bereits angesprochenen hohen Betriebstemperaturen. Diese führen bei Glasfasern zu Degradationserscheinungen, die die Lebensdauer des Pyrometers oder zumindest die Messgenauigkeit verringern. Die Verwendung hochtemperaturstabiler Saphirfasern and der Stelle der Glasfasern hat wiederum den Nachteil, dass Saphirfasern eine höhere Biegempfindlichkeit aufweisen und somit schwerer zu verlegen sind.A Alternative to thermocouples represent optical pyrometers, with those from the radiation emitted by the hot object to be examined optically close to the temperature of the object. The problem here is that the TBC coating in gas turbines is to a considerable extent transparent to heat radiation. It therefore leaves thermal radiation other objects happen. A temperature determination based on the heat radiation from the direction of the TBC layer possibly heavily distorted. This will be known solved by that for absorbing the heat radiation a fiber, for example sapphire fiber is used, the end with a blackbody layer is provided. This will come in contact brought to the TBC layer, causing the blackbody layer largely assumes the temperature of the TBC layer. The of the black body layer generated heat radiation becomes a receiver from the fiber directed. The problem here are the already mentioned high operating temperatures. These lead to degradation of glass fibers, which reduce the life of the pyrometer or at least the accuracy of measurement. The use of high temperature stable sapphire fibers at the site The glass fibers in turn has the disadvantage that sapphire fibers a higher bending sensitivity and thus are more difficult to install.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Temperatur der Oberflächenbeschichtung einer Strömungsmaschine, insbesondere bei hohen Temperaturen in der Strömungsmaschine, möglichst betriebssicher und genau ermittelt werden kann. Ziel ist dabei insbesondere die Bestimmung der Temperatur auf 1°C genau.It The object of the present invention is to specify a device with the temperature of the surface coating of a turbomachine, especially at high temperatures in the turbomachine, if possible reliable and accurate can be determined. The goal is in particular the determination of the temperature to 1 ° C exactly.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.These Task is solved by an apparatus having the features of claim 1. The dependent claims relate to advantageous embodiments of the device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der pyrometrischen Messung der Temperatur einer Oberflächenbeschichtung, beispielsweise ein sog. Thermal Barrier Coating (TBC), eines Teils einer Strömungsmaschine. Sie weist eine an der Oberflächenbeschichtung angeordnete Schwarzkörperschicht zur Aussendung von Wärmestrahlung und einen Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der Wärmestrahlung auf. Dabei hat das der Oberflächenbeschichtung zugewandte Ende des Lichtwellenleiters einen Abstand von der Oberflächenbeschichtung.The inventive device serves the pyrometric measurement of the temperature of a surface coating, For example, a so-called. Thermal Barrier Coating (TBC), a part a turbomachine. It has one on the surface coating arranged black body layer to Emission of heat radiation and an optical fiber for transmitting the heat radiation on. This has the surface coating facing End of the optical fiber a distance from the surface coating.

Durch die Trennung von Schwarzkörperschicht und Lichtwellenleiter wird vorteilhaft erreicht, dass das Ende des Lichtwellenleiters nicht der Temperatur der Oberflächenbeschichtung ausgesetzt ist, sondern einer demgegenüber verringerten Temperatur. Durch die Beabstandung des Lichtwellenleiters von der Schwarzkörperschicht ergibt sich weiterhin der besondere Vorteil, dass eine verringerte Wärmeableitung aus der Schwarzkörperschicht erreicht wird, da diese ja nun einseitig an Luft grenzt. Die Temperatur der Schwarzkörperschicht stimmt daher genauer mit der der TBC-Schicht überein. Hierdurch wird die Temperaturmessung genauer. Schließlich hat die Erfindung den Vorteil, dass die vorteilhafte Verwendung einer Glasfaser auch bei höchsten Turbinentemperaturen von beispielsweise 1400°C ermöglicht wird. Glasfasern sind aber unempfindlicher gegen Biegung und daher leichter in der Verlegung. Saphirfasern weisen weiterhin den Nachteil auf, dass sie keinen Mantel besitzen und daher Wärmestrahlung auch seitlich in die Faser einkoppeln kann, was zu Messungenauigkeit führt.Due to the separation of the black body layer and the optical waveguide, it is advantageously achieved that the end of the optical waveguide is not exposed to the temperature of the surface coating, but to a temperature that is reduced by contrast. By the spacing of the optical waveguide from the black body layer further results in the particular advantage that a reduced heat dissipation from the black body layer is achieved, since this is now one-sided in air. The temperature of the black body layer therefore more closely matches that of the TBC layer. This will make the temperature measurement more accurate. Finally, the invention has the advantage that the advantageous use of a glass fiber even at the highest turbine temperatures, for example, 1400 ° C he is possible. Glass fibers, however, are less sensitive to bending and therefore easier to lay. Sapphire fibers also have the disadvantage that they have no sheath and therefore heat radiation can also couple laterally into the fiber, resulting in measurement inaccuracy.

Bevorzugt beträgt der Abstand mehr als 1 mm, insbesondere mehr als 2 mm oder mehr als 5 mm. Zweckmäßigerweise ist die Oberflächenbeschichtung eine Beschichtung eines Trägers aus Me tall. Auf der von der Oberflächenbeschichtung abgewandten Seite des Metalls wird zweckmäßig kühlende Luft vorbei geleitet. Dadurch entsteht im Metall ein starker Temperaturgradient, der mehrere hundert °C pro cm betragen kann. Daher sinkt die Temperatur, der der Lichtwellenleiter ausgesetzt ist, mit wachsendem Abstand von der Oberflächenbeschichtung.Prefers is the distance is more than 1 mm, in particular more than 2 mm or more than 5 mm. Conveniently, is the surface coating a coating of a carrier made of metal. On the side facing away from the surface coating Side of the metal is expediently cooling air passed by. This creates a strong temperature gradient in the metal, the several hundred ° C per cm can be. Therefore, the temperature of the optical fiber decreases is exposed, with increasing distance from the surface coating.

Durch den Abstand von Lichtwellenleiter und Schwarzkörperschicht ist es bei der Erfindung möglich, dass Licht oder Wärmestrahlung in den Lichtwellenleiter einkoppelt, das nicht von der Schwarzkörperschicht stammt, was die Messung verfälschen kann. Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung daher derart ausgestaltet, dass nur Licht der Schwarzkörperschicht in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Hierzu kann beispielsweise am Ende des Lichtwellenleiters eine Linse vorgesehen sein. Alternativ kann das Ende des Lichtwellenleiters selbst eine Linse bilden, indem das Ende mit eine Mikrostrukturierung versehen wird. Es wird dadurch erreicht, dass der Bereich, der für den Lichtwellenleiter „sichtbar” ist, auf die Ausdehnung der Schwarzkörperschicht begrenzt ist. In einer weiteren Alternative ist es auch möglich, die Schwarzkörperschicht derart ausgedehnt auszugestalten, dass sie das gesamte Sichtfeld des Lichtwellenleiters ausfüllt, wodurch eine Linse unnötig ist.By the distance from optical waveguide and blackbody layer is at the Invention possible, that light or heat radiation coupled into the optical fiber, not from the black body layer comes, which can falsify the measurement. Advantageously, the device is therefore configured in such a way that that only light the blackbody layer coupled into the optical waveguide. For this purpose, for example be provided at the end of the optical waveguide lens. alternative For example, the end of the optical fiber itself may form a lens by: the end is provided with a microstructuring. It gets it ensures that the area that is "visible" to the optical fiber on the extent of the blackbody layer is limited. In a further alternative, it is also possible to use the black body layer so extensive that they form the entire field of view fills the fiber optic cable, making a lens unnecessary is.

Vorzugsweise besteht die Schwarzkörperschicht aus Platin besteht und ist weniger als 100 μm dick. Platin ist hochtemperaturstabil und oxidiert nicht, so dass die Emissivität der Schwarzkörperschicht im Wesentlichen konstant bleibt. Eine möglichst dünne, insbesondere 10 μm dicke Schicht, hat den Vorteil, einen geringen Temperaturgradienten über die Dicke zu zeigen, wodurch eine sehr genaue Messung ermöglicht wird.Preferably exists the blackbody layer is made of platinum and is less than 100 microns thick. Platinum is high temperature stable and does not oxidize, leaving the emissivity of the blackbody layer remains essentially constant. A very thin, in particular 10 microns thick layer, has the advantage of a low temperature gradient over the Thickness to show, which allows a very accurate measurement.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft in einer Gasturbine verwendet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Gasturbine mit mehreren Vorrichtungen auszustatten. Die Temperaturmessung ist beispielsweise an der Turbinenwandung, aber auch an Lauf- und Leitschaufeln vorteilhaft.The inventive device can be used advantageously in a gas turbine. Of course it is it also possible to equip the gas turbine with several devices. The temperature measurement is for example on the turbine wall, but also on running and Guide vanes advantageous.

Gerade im Großmaschinenbereich kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine einfache, betriebssichere und genaue Temperaturbestimmung der Oberflächenbeschichtung erreicht werden, wodurch ein effektiverer Betrieb gewährleistet werden kann und insbesondere teure Stillstandzeiten wegen Wartung und Reparaturmaßnahmen wegen zerstörter Oberflächenbeschichtungen, beispielsweise an den Schaufeln, weiter reduziert werden können. So kann beispielsweise eine Erhöhung der Verfügbarkeit einer mit einer Gasturbine ausgerüsteten Energieversorgung erreicht werden.Just in the large machine area can with the device according to the invention a simple, reliable and accurate temperature determination of surface coating be achieved, which ensures a more effective operation and especially expensive downtime due to maintenance and repair measures because of destroyed Surface coatings, For example, on the blades, can be further reduced. So can for example, an increase the availability of one equipped with a gas turbine Energy supply can be achieved.

Ist die Oberflächenbeschichtung wie üblich auf einem metallischen Träger angeordnet und verläuft ein Teil des Lichtwellenleiters im Träger, dann ist es vorteilhaft, wenn dieser Teil des Lichtwellenleiters von einer Schutzkapsel umgeben ist, die eine geringere Wärmeleitung als der Träger aufweist. Hierdurch wird die Temperatur des Lichtwellenleiters zusätzlich vermindert.is the surface coating as usual a metallic carrier arranged and runs a part of the optical fiber in the carrier, then it is beneficial if this part of the optical waveguide surrounded by a protective capsule is that has a lower heat conduction as the carrier having. As a result, the temperature of the optical waveguide is additionally reduced.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind nur schematisiert dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einer Wand einer Gasturbine mit einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei sind einander entsprechende Teile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.preferred but by no means restrictive embodiments The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. For clarification the drawing is not to scale, and Certain features are shown only schematically. The figures each show a section of a wall of a gas turbine with an exemplary embodiment a device according to the invention. Here are corresponding parts in the figures with the same Provided with reference numerals.

Die metallische Wand 3 der Gasturbine gemäß der 1 bis 3 weist auf der zum Turbineninnenraum 1 weisenden Seite eine TBC-Beschichtung 2, TBC = thermal barrier coating, aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid auf, um den in der Gasturbine auftretenden physikalischen Beanspruchungen Stand zu halten. Die TBC-Beschichtung ist ca. 100 μm dick. Weiterhin ist die Schicht aufgrund ihrer Zusammensetzung gegenüber Wärmestrahlung, die bei den hohen Temperaturen der Gasturbine auftreten, weitgehend transparent. Auf der anderen Seite der Wand 3 befindet sich der Kühlluftraum 4. Der Aufbau bedingt einen hohen Temperaturgradienten über zwischen dem Turbineninnenraum 1 und dem Kühlluftraum 4. So herrscht im Turbineninnenraum 1, also insbesondere an der Oberfläche der TBC-Beschichtung 2 eine Temperatur von 1250°C. An der Grenzschicht zwischen der TBC-Beschichtung 2 und dem metallischen Teil der Turbinenwand 3 ist die Temperatur bereits auf 950°C gefallen. Über den metallischen Teil der Wand 3 hinweg fällt die Temperatur weiter auf etwa 450°C. Die Temperaturen sind hierbei als beispielhafte Werte zu verstehen.The metallic wall 3 the gas turbine according to the 1 to 3 points to the turbine interior 1 facing side a TBC coating 2 , TBC = thermal barrier coating, made of yttria-stabilized zirconia on to withstand the physical stresses occurring in the gas turbine. The TBC coating is approx. 100 μm thick. Furthermore, the layer is largely transparent due to their composition to thermal radiation, which occur at the high temperatures of the gas turbine. On the other side of the wall 3 is the cooling air space 4 , The structure requires a high temperature gradient across between the turbine interior 1 and the cooling air space 4 , So prevails in the turbine interior 1 , ie in particular on the surface of the TBC coating 2 a temperature of 1250 ° C. At the interface between the TBC coating 2 and the metallic part of the turbine wall 3 the temperature has already dropped to 950 ° C. Over the metallic part of the wall 3 The temperature drops further to about 450 ° C. The temperatures are to be understood as exemplary values.

Gemäß 1 ist nun zur Messung der Temperatur an der Grenzschicht zwischen der TBC-Beschichtung 2 und dem metallischen Teil der Turbinenwand 3 im metallischen Teil eine Bohrung vorgesehen, die bis zur TBC-Beschichtung 2 reicht. An der so offengelegten inneren Oberfläche der TBC-Beschichtung 2 ist eine Schwarzkörperschicht 9 aufgebracht. Diese besteht vorteilhaft aus Platin und ist 10 μm dick. In alternativen Ausführungsmöglichkeiten besteht die Schwarzkörperschicht 9 aus anderen hochtemperaturbeständigen Materialien wie beispielsweise Iridium oder Wolfram oder einer bekannten kommerziell erhältlichen Metalllegierung. Auch andere Schichtdicken sind denkbar wie beispielsweise 2 μm oder 5 μm. Zur Maximierung und Stabilisierung der Emissivität der Schwarzkörperschicht 9 ist es zweckmäßig, wenn sie möglichst rau und bereits mit einer Oxidationsschicht versehen ist. Eine hohe Genauigkeit der Messung wird auch durch eine möglichst geringe Dicke der Schwarzkörperschicht 9 begünstigt. Allerdings muss die Schwarzkörperschicht 9 dabei undurchsichtig bleiben für Wärmestrahlung und auch die Lebensdauer der Schwarzkörperschicht 9 muss berücksichtigt werden.According to 1 is now to measure the temperature at the interface between the TBC coating 2 and the metallic part of the turbine wall 3 in the metallic part a bore is provided, which until the TBC coating 2 enough. At the so revealed inner surface of the TBC coating 2 is a blackbody layer 9 applied. This is advantageously made of platinum and is 10 microns thick. In alternative embodiments, the blackbody layer exists 9 from other high temperature resistant materials such as iridium or tungsten or a known commercially available metal alloy. Other layer thicknesses are conceivable such as 2 microns or 5 microns. To maximize and stabilize the emissivity of the blackbody layer 9 it is expedient if it is as rough as possible and already provided with an oxidation layer. A high accuracy of the measurement is also due to the smallest possible thickness of the black body layer 9 favored. However, the blackbody layer needs 9 remain opaque to heat radiation and the life of the black body layer 9 must be considered.

In der Bohrung ist ein Schutzröhrchen 5 vorgesehen, das die Wand der Bohrung auskleidet. Das Schutzröhrchen 5 weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als das umgebende Metall. In einem Abstand von beispielsweise 1 mm von der Schwarzkörperschicht 9 beginnt eine Quarzglasfaser 6. Es handelt sich dabei um eine Standard-Faser, beispielsweise 50/125 μm, 61/125 μm, 100/140 μm oder 200/220 μm. Sie verläuft im Schutzröhrchen 5, soweit das Schutzröhrchen 5 reicht und endet zweckmäßig bei einem Detektor zur Aufnahme der Wärmestrahlung der Schwarzkörperschicht 9. Der Detektor ist in den Figuren nicht dargestellt.In the hole is a protective tube 5 provided that lines the wall of the hole. The protective tube 5 has a lower thermal conductivity than the surrounding metal. At a distance of, for example, 1 mm from the black body layer 9 begins a quartz glass fiber 6 , It is a standard fiber, for example 50/125 microns, 61/125 microns, 100/140 microns or 200/220 microns. It runs in the protective tube 5 as far as the protective tube 5 ranges and expediently ends with a detector for recording the thermal radiation of the blackbody layer 9 , The detector is not shown in the figures.

Da die Quarzglasfaser 6 in einem Abstand von der Schwarzkörperschicht 9 endet, ist ihr Sichtfeld 11 größer als der Durchmesser des Faserkerns 7. Die Größe der Schwarzkörperschicht 9 ist daher in diesem Beispiel so gewählt, dass sie das gesamte Sichtfeld 11 der Quarzglasfaser 6 ausfüllt. Hierdurch wird erreicht, dass ausschließlich Wärmestrahlung der Schwarzkörperschicht 9 in die Quarzglasfaser 6 fällt und von dieser weitergeleitet wird, wodurch Fehler bei der genauen Messung der Temperatur verhindert werden.Because the quartz glass fiber 6 at a distance from the blackbody layer 9 ends, is her field of vision 11 larger than the diameter of the fiber core 7 , The size of the blackbody layer 9 is therefore chosen in this example to be the entire field of view 11 the quartz glass fiber 6 fills. This ensures that only thermal radiation of the black body layer 9 in the quartz glass fiber 6 falls and is forwarded by this, which errors in the accurate measurement of the temperature can be prevented.

Durch die Anordnung der Schwarzkörperschicht 9 an der TBC-Beschichtung 2 nimmt die Schwarzkörperschicht 9 weitgehend die metallseitige Temperatur der TBC-Beschichtung 2 an. Die Schwarzkörperschicht 9 emittiert dann Wärmestrahlung entsprechend ihrer Temperatur und die Wärmestrahlung wird von der Quarzglasfaser 6 aufgenommen und an einen Detektor weitergeleitet. Aus der Wärmestrahlung kann in anderweitig bekannter Weise die Temperatur der Schwarzkörperschicht 9 und damit der TBC-Beschichtung 2 ermittelt werden. Aus den Figuren ist erkennbar, dass der Abstand zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 die Quarzglasfaser 6 in einem Bereich deutlich verringerter Temperatur gegenüber der der Schwarzkörperschicht 9 angeordnet ist. So erfährt bei dem Beispiel gemäß 1 die Quarzglasfaser 6 lediglich Temperaturen von bis zu etwa 600°C. Diese sind für eine Quarzglasfaser 6 unproblematisch und die Verwendung beispielsweise einer Saphirfaser ist unnötig.By the arrangement of the black body layer 9 on the TBC coating 2 takes the blackbody layer 9 largely the metal-side temperature of the TBC coating 2 at. The blackbody layer 9 then emits heat radiation according to their temperature and the heat radiation is from the quartz glass fiber 6 recorded and forwarded to a detector. From the heat radiation, the temperature of the black body layer can be in another known manner 9 and therefore the TBC coating 2 be determined. From the figures it can be seen that the distance between the end of the quartz glass fiber 6 and the blackbody layer 9 the quartz glass fiber 6 in a range of significantly reduced temperature over that of the black body layer 9 is arranged. So learns in the example according to 1 the quartz glass fiber 6 only temperatures of up to about 600 ° C. These are for a quartz glass fiber 6 unproblematic and the use of, for example, a sapphire fiber is unnecessary.

Eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 ermöglicht eine weitere Verringerung der Temperatur, der die Quarzglasfaser 6 ausgesetzt ist. 2 zeigt dementsprechend ein Ausfüh rungsbeispiel, bei dem der Abstand zwischen dem Ende der Quarzglasfaser 6 und der Schwarzkörperschicht 9 zwei Millimeter beträgt. Das Sichtfeld 11 der Quarzglasfaser 6 würde in diesem Fall ohne weitere Anpassung des Aufbaus zu einer verhältnismäßig großen Schwarzkörperschicht 9 führen. Daher weist das zur Schwarzkörperschicht 9 weisende Ende der Quarzglasfaser 6 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen Linsentaper 8 auf, d. h. eine abgerundete Endfläche. Durch diese wird der Lichtweg von gedachten aus der Quarzglasfaser 6 tretenden Lichtstrahlen parallelisiert, also das Sichtfeld 11 für die einfallende Wärmestrahlung verengt. Zweckmäßig ist es dabei, das Sichtfeld 11 derart einzuschränken, dass die Schwarzkörperschicht 9 nicht größer als das Schutzröhrchen 5 sein muss.An increase in the distance between the end of the quartz glass fiber 6 and the blackbody layer 9 allows a further reduction in the temperature of the quartz glass fiber 6 is exposed. 2 shows accordingly Ausfüh tion, in which the distance between the end of the quartz glass fiber 6 and the blackbody layer 9 two millimeters. The field of vision 11 the quartz glass fiber 6 would in this case without further adaptation of the structure to a relatively large black body layer 9 to lead. Therefore, this points to the blackbody layer 9 pointing end of the quartz glass fiber 6 in the embodiment according to 2 a lens taper 8th on, ie a rounded end surface. Through this, the light path of imaginary out of the quartz glass fiber 6 parallelized light rays, so the field of view 11 narrowed for the incident heat radiation. It is useful, the field of view 11 such that the black body layer 9 not larger than the protective tube 5 have to be.

Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der 3 zeigt das Ende der Quarzglasfaser 6 in einem Abstand von 5 mm von der Schwarzkörperschicht 9. Hierdurch wird eine starke Verringerung der Temperatur im Bereich des Endes der Quarzglasfaser 6 erreicht. Zur Begrenzung des Sichtfelds 11 der Quarzglasfaser 6 ist in diesem Fall eine Kugellinse 10 vorgesehen, die dem Ende der Quarzglasfaser 6 vorgelagert ist. Durch die Kugellinse 10 wird in diesem Beispiel der Strahlenweg parallelisiert, so dass auch über 5 mm hinaus auch weitere Abstände realisierbar sind.A third embodiment according to the 3 shows the end of the quartz glass fiber 6 at a distance of 5 mm from the black body layer 9 , This results in a large reduction in the temperature in the region of the end of the quartz glass fiber 6 reached. To limit the field of view 11 the quartz glass fiber 6 is in this case a ball lens 10 provided the end of the quartz glass fiber 6 is upstream. Through the ball lens 10 In this example, the beam path is parallelized so that further distances beyond 5 mm can also be realized.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist beispielsweise die Verwendung des Schutzröhrchens 5 nicht unbedingt notwendig. Auch können kürzere Abstände als 1 mm oder längere Abstände als 5 mm verwendet werden. Auch kann statt der Quarzglasfaser 6 eine andere Faser zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Saphirfaser.The invention is not limited to the illustrated embodiments. For example, the use of the protective tube 5 not necessary. Also shorter distances than 1 mm or longer distances than 5 mm can be used. Also, instead of the quartz glass fiber 6 another fiber is used, for example a sapphire fiber.

Claims (8)

Vorrichtung zur pyrometrischen Messung der Temperatur einer Oberflächenbeschichtung eines Teils einer Strömungsmaschine, mit – einer an der Oberflächenbeschichtung angeordneten Schwarzkörperschicht zur Aussendung von Wärmestrahlung und – einem Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der Wärmestrahlung, wobei das der Oberflächenbeschichtung zugewandte Ende des Lichtwellenleiters einen Abstand von der Oberflächenbeschichtung aufweist.Apparatus for pyrometrically measuring the temperature of a surface coating of a part of a turbomachine, comprising - a black body layer arranged on the surface coating for emitting heat radiation, and - An optical waveguide for forwarding the heat radiation, wherein the surface coating facing the end of the optical waveguide has a distance from the surface coating. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Abstand mehr als 1 mm, mehr als 2 mm oder mehr als 5 mm beträgt.Device according to claim 1, where the distance is more than 1 mm, more than 2 mm or more than 5 mm. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei am Ende des Lichtwellenleiters eine Linse vorgesehen ist oder das Ende des Lichtwellenleiters zur Bildung einer Linse strukturiert ist.Device according to claim 1 or 2, wherein provided at the end of the optical waveguide lens or the end of the optical fiber to form a lens is structured. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der um den Lichtwellenleiter herum im Bereich seines Endes eine Schutzkapsel mit geringerer Wärmeleitung vorgesehen ist.Device according to a of the preceding claims, at the around the optical fiber around in the region of its end a Protective capsule with lower heat conduction is provided. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Lichtwellenleiter eine Glasfaser ist.Device according to a of the preceding claims, in which the optical waveguide is a glass fiber. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schwarzkörperschicht aus Platin besteht und weniger als 100 μm dick ist.Device according to a of the preceding claims, at the blackbody layer made of platinum and less than 100 microns thick. Gasturbine mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.Gas turbine with a device according to one of preceding claims. Gasturbine gemäß Anspruch 7, bei der die Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Träger angeordnet ist und ein Teil des Lichtwellenleiters im Träger verläuft, wobei der Teil von einer Schutzkapsel umgeben ist, die eine geringere Wärmeleitung als der Träger aufweist.Gas turbine according to claim 7, where the surface coating on a metallic carrier is arranged and a part of the optical waveguide runs in the carrier, wherein the part is surrounded by a protective capsule, the lower one heat conduction as the carrier having.
DE102008022571A 2008-05-07 2008-05-07 Temperature measurement on parts of a turbomachine Withdrawn DE102008022571A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008022571A DE102008022571A1 (en) 2008-05-07 2008-05-07 Temperature measurement on parts of a turbomachine
PCT/EP2009/055345 WO2009135814A1 (en) 2008-05-07 2009-05-04 Temperature measurement at parts of a fluid kinetic machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008022571A DE102008022571A1 (en) 2008-05-07 2008-05-07 Temperature measurement on parts of a turbomachine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008022571A1 true DE102008022571A1 (en) 2010-02-25

Family

ID=40929656

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008022571A Withdrawn DE102008022571A1 (en) 2008-05-07 2008-05-07 Temperature measurement on parts of a turbomachine

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008022571A1 (en)
WO (1) WO2009135814A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012145095A1 (en) * 2011-03-15 2012-10-26 Siemens Energy, Inc. A thermocouple on a contoured gas turbine engine component
DE102011077908A1 (en) * 2011-06-21 2012-12-27 Siemens Aktiengesellschaft Gas turbine with pyrometer
DE102013213805A1 (en) * 2013-07-15 2015-01-15 Federal-Mogul Friction Products Gmbh Brake pad and system for measuring the temperature of a brake
DE102014114816A1 (en) * 2014-08-26 2016-03-03 Heraeus Holding Gmbh Device for temperature measurement

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3159665A1 (en) * 2015-10-19 2017-04-26 Siemens Aktiengesellschaft Temperature measuring device and method for operating a turbo engine
EP3282235B1 (en) 2016-08-08 2019-04-17 Ansaldo Energia Switzerland AG Gas turbine power plant comprising a temperature detecting device
EP4116545A1 (en) * 2021-07-05 2023-01-11 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Continuous flow engine measurement arrangement

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0515172A1 (en) * 1991-05-20 1992-11-25 Johnson Matthey Public Limited Company Blackbody fired on silica fibre
WO1999054692A2 (en) * 1998-04-14 1999-10-28 Advanced Fuel Research, Inc. High speed infrared radiation thermometer, system, and method
DE19736276B4 (en) * 1997-08-21 2006-07-27 Alstom Technology Ltd Optical pyrometer for gas turbines

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4859079A (en) * 1988-08-04 1989-08-22 Luxtron Corporation Optical system using a luminescent material sensor for measuring very high temperatures
EP0425229A1 (en) * 1989-10-25 1991-05-02 Tacan Corporation High temperature sensor
US5078507A (en) * 1991-03-18 1992-01-07 General Electric Company Temperature sensor
US20040179575A1 (en) * 2003-01-23 2004-09-16 Markham James R. Instrument for temperature and condition monitoring of advanced turbine blades

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0515172A1 (en) * 1991-05-20 1992-11-25 Johnson Matthey Public Limited Company Blackbody fired on silica fibre
DE19736276B4 (en) * 1997-08-21 2006-07-27 Alstom Technology Ltd Optical pyrometer for gas turbines
WO1999054692A2 (en) * 1998-04-14 1999-10-28 Advanced Fuel Research, Inc. High speed infrared radiation thermometer, system, and method

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012145095A1 (en) * 2011-03-15 2012-10-26 Siemens Energy, Inc. A thermocouple on a contoured gas turbine engine component
DE102011077908A1 (en) * 2011-06-21 2012-12-27 Siemens Aktiengesellschaft Gas turbine with pyrometer
DE102013213805A1 (en) * 2013-07-15 2015-01-15 Federal-Mogul Friction Products Gmbh Brake pad and system for measuring the temperature of a brake
DE102013213805B4 (en) * 2013-07-15 2016-02-11 Federal-Mogul Friction Products Gmbh Brake pad and system for measuring the temperature of a brake
DE102014114816A1 (en) * 2014-08-26 2016-03-03 Heraeus Holding Gmbh Device for temperature measurement
DE102014114816B4 (en) 2014-08-26 2022-02-10 Heraeus Nexensos Gmbh Porous, lens-shaped ceramic body for temperature measurement

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009135814A1 (en) 2009-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19736276B4 (en) Optical pyrometer for gas turbines
DE102008022571A1 (en) Temperature measurement on parts of a turbomachine
DE19932202A1 (en) Optoelectronic measurement device for analyzing combustion processes in a combustion engine, comprises optical sensors with a lens and a connection to an analysis unit.
DE102007048471B4 (en) Method for determining the position of a laser beam relative to a nozzle opening, laser processing nozzle and laser processing head
WO2010006631A1 (en) System comprising an electric machine and method for operating an electric machine
DE4128844A1 (en) OPTICAL TEMPERATURE SENSOR
DE102009017796B4 (en) Optical probe and light barrier for a turbomachine and associated processes
DE102018127804A1 (en) Improvement or optimization of the yield of a wind turbine by detecting a stall
EP2289152B1 (en) Arrangement having an electrical machine and method for operating an electrical machine
EP2999568B1 (en) Nozzle for a laser machining device and said device
EP2723994A1 (en) Gas turbine with pyrometer
DE102011077736A1 (en) distance sensor
DE102006040813B4 (en) Laser scanner with transmitting and receiving device
DE102013211486A1 (en) lubricant sensor
DE102012201501B4 (en) Device for determining the temperature of a melt
DE102008015205B4 (en) Pyrometer with spatial resolution
WO2022221899A1 (en) Measuring assembly
DE102004023663B4 (en) Measuring arrangement for determining the temperature and / or pressure distribution on movable or fixed components
DE20207493U1 (en) Device for fiber optic temperature measurement with an optical fiber
DE102014114816B4 (en) Porous, lens-shaped ceramic body for temperature measurement
DE102018127414B4 (en) Method and arrangement for controlling a wind turbine and wind turbine
WO1998034086A1 (en) Probe and method for determining the temperature of a component of a gas turbine
DE102010062027A1 (en) Measurement setup for optical absorption spectroscopy
WO2000009975A1 (en) Measuring device for contactless measurement of the properties of a moving metal strip
DE102017102046B4 (en) Sampling probe and method for sampling exhaust gas

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20111201